临沭历史悠久。据境内东盘遗址考古发现，距今七千年前即有人类在此生息繁衍。
夏商时期，为禹贡徐州。西周时期，属鄟、祝等小国。春秋战国时期，先后属吴、越、楚三国。
秦朝时期，北部属琅邪郡莒县，南部属东海郡郯县。西汉时期，属徐州刺史部，分治于东海、琅邪二郡。东汉末年，分东海郡，在临沭境内置利城郡，辖郯、利城、祝其等十三县。三国时期，隶属徐州刺史部。西晋时期，属徐州，分治于东海、琅邪、城阳三郡。东晋时期，南境属东海郡，北境属琅邪郡。南北朝时期，属徐州，刘宋时分治于东海、琅邪两郡；北魏时为琅邪郡即丘县、东海郡郯县分治。东魏、北齐时，全境属北徐州琅邪郡。隋代分属琅邪郡临沂县、东海郡怀仁县、下邳郡郯县辖。唐代，属河南道，为沂州琅邪郡和海州东海郡分治，武德四年（621年）析置临沂县为兰山、临沭、昌乐三县，历史上首次以“临沭”命名置县。宋代，隶于京东东路，为沂州府临沂县辖。金时，属山东东路，为沂州府临沂县辖。元代，属中书省益都路，为沂州府临沂县辖。明朝，先后属山东布政司济宁府沂州、济南府沂州、兖州府沂州。清代，属山东布政司沂州府，为郯城、兰山二县分治。
中华民国时期，先后属济宁道、琅邪道。1936年，属山东省第三行政区，北部为临沂县第五区，南部为郯城县第五区。后郯五区析置郯六区、郯七区，隶属于郯城县政府第二办事处。
1940年1月，中国共产党在临沭境内成立抗日民主政权郯东北第一办事处，直属鲁南专署领导。同年7月，改称苍马办事处，属鲁南地区第三行署。1941年8月，临沭县抗日民主政府成立，隶属鲁南专署第四行署，后改属滨海专署。1945年9月，临沭县抗日民主政府改称临沭县政府。
1950年5月，属临沂专署。1956年3月，临沭县撤销。1961年8月，临沭县恢复，先后属临沂专署、临沂地区行政公署。1994年12月，临沂地区行政公署改为临沂市，临沭县隶属至今。